CN105978442B - 一种五相永磁电机的短路容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相永磁电机的短路容错控制方法，包括如下步骤：建立五相容错永磁电机模型；当电机的某一相发生短路故障时，由于短路电流的存在，短路相会产生一个和正常情况下不同的但频率和相位都可以确定的转矩脉动，通过改变其他正常相电流的相位，使所有正常相都能产生一个和短路相相同频率和相位的转矩脉动；再改变其他正常相电流的幅值，使各相所转产生的矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等；再进行仿真分析。本发明根据电机空载反电势的具体情况，对电机进行一相短路容错控制，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小转矩脉动，实现五相容错永磁电机带短路故障运行。

Description

一种五相永磁电机的短路容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁电机的控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性以及连续性有较高要求的场合。

背景技术

随着电机驱动***在军事、工业等各个领域应用的不断拓展，对于电动汽车、飞行器等一些要求高可靠性的场合，稳定可靠的电机驱动***就变得尤其的重要。通过容错控制来提高***的可靠性，减少甚至避免由于故障而造成损失成为了保证***可靠性的关键。因此，容错永磁电机和简单有效的可靠性容错控制方法受到了广泛的关注。

国内外学者对具有容错性能的电机结构已经取得了一些的成果。如图1所示的20/62极的五相容错永磁电机是一种转子永磁型电机。相比于传统的容错永磁电机，通过在其定子的齿部开槽来引入调制极，五相单层分数槽集中绕组及容错齿结构提高了电机的容错性能。

目前，容错永磁电机的容错控制方法的研究多集中于开路故障，而对短路故障的容错控制算法较少并且计算过程复杂，所以本发明提出了一种新的简单的短路故障的容错控制方法，在极大地减小算法复杂度的同时还保证了***的可靠性和容错性。

发明内容

本发明的目的是为了简化现有五相容错永磁电机在短路故障运行时的控制算法，方便控制的实现。

本发明采用的技术方案是：当电机发生短路故障时，采用对正常相电流的控制，使电机带故障运行。

一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；

步骤2，当电机的某一相发生短路故障时，由于短路电流的存在，会改变正常情况下采用滞环控制策略(i_d＝0)时该相正常给定电流与该相电反势之间的相位关系。此时根据功率守恒原理可以知道短路相会产生一个和正常情况下不同的但频率和相位都可以确定的转矩脉动，然后可以通过改变其他正常相电流的相位，使所有其他的正常相都能产生一个和短路相相同频率和位相的转矩脉动；

步骤2.1，若一相发生短路故障时，假设a相发生短路故障，则该相的短路电流可以表示为：i_a1＝I_fcos(ωt-θ)。此时短路电流和该相的反电势相位相差一个θ角，与采用滞环控制策略(i_d＝0)时正常情况下给定的电流与该相的反电势相位相同的情况不同，所以根据功率守恒可以知道短路电流会和该相的反电势作用产生一个cos(2ωt-θ)的频率和相位的转矩脉动。此时短路相所产生的转矩脉动的相位和正常情况下该相所会产生的转矩脉动的相位不同，同时也和其他各正常相所产生的转矩脉动的相位不同。因此如果直接将各相所产生的转矩进行矢量合成并不能使最终的合成转矩的脉动为零。其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角；

步骤2.2，根据短路相所产生的转矩脉动的频率和相位，通过改变其他各个正常相电流的相位，使各正常相都能产生一个与短路相相同频率和相位的转矩脉动，此时其他正常相电流的相位可以直接改变为如下形式：

步骤3，根据步骤2可知，短路相和其他正常相都可以产生一个cos(2ωt-θ)频率和相位的转矩脉动，但彼此之间的幅值不相等，因此可以通过再改变其他正常相电流的幅值，使各相所产生的转矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等，此时各正常相电流形式可以给定为：

其中x_i(i＝1,2,3,4)是用于改变各正常相电流幅值的一个比例系数；

本发明具有以下有益效果：

1)本发明在步骤2中直接给定各正常相电流的相位，只需计算满足条件的电流幅值，相比于以前所提出的短路容错控制算法正常相电流的相位和幅值都需要计算，这样大大减少了未知量的个数，简化了计算量。

2)本发明相比于以前所提出的短路容错算法，大大简化了算法的复杂性，以前提出的短路容错算法大致包括短路补偿和开路补偿两部分，短路补偿部分主要用于消除转矩脉动，开路补偿部分主要用于产生所需要的平均转矩，而本发明只需要短路补偿这一部分，在消除转矩脉动的同时也能达到所需要的平均转矩。

附图说明

图1为五相20/62极容错永磁电机截面图；

图2为五相容错永磁电机短路容错控制方法流程图；

图3为图1所示电机的反电势波形图；

图4为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；

图5为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图；

图6为图1所示电机的一相短路故障运行状态电流波形图；

图7为图1所示电机的一相短路故障运行状态转矩波形图；

图8为图1所示电机的一相短路容错运行状态电流波形图；

图9为图1所示电机的一相短路容错运行状态转矩波形图。

图中：1-永磁体；2-外转子；3-内定子；4-电枢绕组；5-容错齿；6-调制极；7-电枢齿。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，这是五相容错永磁电机，其结构包括同轴的内定子3和外转子2，内定子3和外转子2之间设置永磁体1、电枢绕组4、电枢齿7、容错齿5和调制极6，永磁体1沿圆周方向固定贴于外转子2的内表面上，永磁体1的充磁方向为径向且N极和S极交替排列，内定子3圆周上布置彼此相交错的10个电枢齿7和10个容错齿5，电枢齿7上绕有单层集中电枢绕组4，径向相对两电枢齿7上的集中电枢绕组4串联成一相，电枢绕组1为五相绕组。电枢齿7的齿宽和容错齿5的齿宽不相等，在电枢齿7和容错齿5的齿顶上设有沿圆周方向上均匀分布的40个调制极6。

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；电机的反电势公式为：

其中，E是电压的幅值，ω是电机电角速度。采用i_d＝0控制时，对应的电流公式为：

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。图4为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；图5为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图。

步骤2，本发明当电机的某一相发生短路故障时，由于短路电流的存在，会改变正常情况下采用滞环控制策略(i_d＝0)时该相正常给定电流与该相电反势之间的相位关系。此时根据功率守恒原理可以知道短路相会产生一个和正常情况下不同的但频率和相位都可以确定的转矩脉动，然后可以通过改变其他正常相电流的相位，使所有其他的正常相都能产生一个和短路相相同频率和位相的转矩脉动；此时短路相和其他正常相都可以产生一个cos(2ωt-θ)频率和相位的转矩脉动，但彼此之间的幅值不相等，因此可以通过再改变其他正常相电流的幅值，使各相所产生的转矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等。

若一相发生短路故障时，当a相发生短路故障时，可得a相的短路电流为：

i_a′＝I_fcos(ωt-θ) (3)

其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相反电势和电流的夹角。

通过仿真可得：

此时存在下式：

由上式可以发现，转矩脉动主要是由这部分引起的。此时短路相所产生的转矩脉动的相位和正常情况下该相所会产生的转矩脉动的相位不同，同时也和其他各正常相所产生的转矩脉动的相位不同。因此如果直接将各相所产生的转矩进行矢量合成并不能使最终的合成转矩的脉动为零。

所以根据短路相所产生的转矩脉动的频率和相位，通过改变其他各个正常相电流的相位，使各正常相都能产生一个与短路相相同频率和相位的转矩脉动，此时其他正常相电流的相位可以直接改变为如下形式：

步骤3，根据步骤2可知，短路相和其他正常相都可以产生一个cos(2ωt-θ)频率和相位的转矩脉动，但彼此之间的幅值不相等，因此可以通过再改变其他正常相电流的幅值，使各相所产生的转矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等，此时各正常相电流形式可以给定为：

利用功率守恒原理，正常情况下，电机的输入输出功率应满足下式：

Tω＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c+e_di_d+e_ei_e (8)

其中，T是电机的输出转矩，w是电机的角速度。

将式(1)(2)带入式(8)，可得：

同样的，根据功率守恒可得容错情况下：

Tω＝e_ai_a′+e_bi_b′+e_ci_c′+e_di_d′+e_ei_e′ (10)

其中，假设短路故障时，短路电流不会影响电机各相的反电势波形。

将式(1)(3)(7)带入式(10)，可得：

为了在容错情况下消除由短路电流产生的转矩的脉动且容错转矩等于正常情况时的转矩，则式(11)等号右边两部分需分别满足下式：

式(12)可化简为：

由于电机各相绕组采用的是星连接方式型，所以在容错情况下时，其余正常相的电流和必须为零，即：

i_b′+i_c′+i_d′+i_e′＝0 (14)

将式(7)带入式(13)，可得：

将式(13)(15)联立，可得：

x₁＝-0.7824 x₂＝0.5421 x₃＝-0.8185 x₄＝0.0588 (16)

所以最终的容错电流可表示为：

给出仿真步骤：1)建立五相容错永磁电机的仿真模型。2)仿真出五相容错永磁电机的反电势和各种情况下的短路电流。根据反电势和短路电流计算出最终的短路电流容错控制方法。3)将计算出的电流输入五相容错永磁电机的电枢绕组中。4)得到最终的五相容错永磁电机短路容错控制仿真结果。

表1为正常、一相短路及容错情况下的转矩情况，容错情况下的转矩脉动较故障情况下有了明显的减小。

	正常	故障	容错
				最小转矩N.m	2.7	-2.4	2.4
最大转矩N.m	4.5	6.0	5.2
				平均转矩N.m	3.6	1.8	3.8
脉动％	25.0	233.3	36.8

综上，本发明的一种五相永磁电机的短路容错控制方法，包括如下步骤：建立五相容错永磁电机模型；当电机的某一相发生短路故障时，由于短路电流的存在，会改变正常情况下采用滞环控制策略(i_d＝0)时该相正常给定电流与该相电反势之间的相位关系。此时根据功率守恒原理可以知道短路相会产生一个和正常情况下不同的但频率和相位都可以确定的转矩脉动，然后可以通过改变其他正常相电流的相位，使所有其他的正常相都能产生一个和短路相相同频率和位相的转矩脉动；此时短路相和其他正常相都可以产生一个cos(2ωt-θ)频率和相位的转矩脉动，但彼此之间的幅值不相等，因此可以通过再改变其他正常相电流的幅值，使各相所产生的转矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等；再进行仿真分析。本发明根据电机空载反电势的具体情况，对电机进行一相短路容错控制，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小转矩脉动，实现五相容错永磁电机带短路故障运行。

应理解上述实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种五相永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；

步骤2，当电机的某一相发生短路故障时，由于短路电流的存在，会改变正常情况下采用滞环控制策略i_d＝0时该相正常给定电流与该相反电势之间的相位关系；根据功率守恒原理使得短路相产生一个和正常情况下不同的但频率和相位都可以确定的转矩脉动，然后通过改变其他正常相电流的相位，使所有其他的正常相都能产生一个和短路相相同频率和相位的转矩脉动；

步骤3，根据步骤2短路相和其他正常相都可以产生一个cos(2ωt-θ)频率和相位的转矩脉动，但彼此之间的幅值不相等，因此可以通过再改变其他正常相电流的幅值，使各相所产生的转矩脉动矢量和为零，同时还必须满足最终合成的平均转矩与正常情况下相等，其中，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种五相永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

步骤2.1，若一相发生短路故障时，假设a相发生短路故障，则该相的短路电流可以表示为：i_a1＝I_fcos(ωt-θ)；此时短路电流和该相的反电势相位相差一个θ角，与采用滞环控制策略i_d＝0时正常情况下给定的电流与该相的反电势相位相同的情况不同，根据功率守恒得出短路电流会和该相的反电势作用产生一个cos(2ωt-θ)的频率和相位的转矩脉动；此时短路相所产生的转矩脉动的相位和正常情况下该相所会产生的转矩脉动的相位不同，同时也和其他各正常相所产生的转矩脉动的相位不同；因此如果直接将各相所产生的转矩进行矢量合成并不能使最终的合成转矩的脉动为零；其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角；

步骤2.2，根据短路相所产生的转矩脉动的频率和相位，通过改变其他各个正常相电流的相位，使各正常相都能产生一个与短路相相同频率和相位的转矩脉动，此时其他正常相电流的相位可以直接改变为如下形式：

3.根据权利要求1所述的一种五相永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述

步骤3中，各正常相电流形式可以给定为：

其中x_i(i＝1,2,3,4)是用于改变各正常相电流幅值的一个比例系数，其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角。